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DE102007037342A1 - Method for producing converter material modules and converter material modules - Google Patents

Method for producing converter material modules and converter material modules Download PDF

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DE102007037342A1
DE102007037342A1 DE102007037342A DE102007037342A DE102007037342A1 DE 102007037342 A1 DE102007037342 A1 DE 102007037342A1 DE 102007037342 A DE102007037342 A DE 102007037342A DE 102007037342 A DE102007037342 A DE 102007037342A DE 102007037342 A1 DE102007037342 A1 DE 102007037342A1
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Germany
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thermoplastic
material element
transducer material
transducer
module according
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Withdrawn
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DE102007037342A
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German (de)
Inventor
Werner Hufenbach
Maik Gude
Olaf Täger
Niels Modler
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Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen (25, 35) und ein Wandlerwerkstoff-Modul (25, 35) nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2, wobei das Wandlerwerkstoff-Modul (25, 35) nach seiner Herstellung mittels Heißpressens einen beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element (5) angeformten thermoplastischen Verbund (28, 29) aufweist, der aus der zugehörigen Elektrodierung (19, 20) und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung (19, 20) enthaltende Trägerfolie (26, 27; 36, 37) besteht, wobei im Verbund (28, 29; 38, 39) die thermoplastische Trägerfolie (26, 27; 36, 37) durch die integrierte Elektrodierung (19, 20) hindurch durchgreifende Fließstege (21, 22) enthält, die mit den planaren Oberflächen (23, 24) des Wandlerwerkstoff-Elements (5) adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes (28, 29, 38, 39) am Wandlerwerkstoff-Element (5) ausbilden. Die Aufgabe besteht darin, dass sich ausbildende Vorspannungen des Wandlerwerkstoff-Elements in bestimmte Vorzugsrichtungen nutzbar ausgerichtet werden können. Die Lösung besteht darin, dass die für den thermoplastischen Verbund (28, 29; 38, 39) beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements (5) vorgesehene und nach dem Heiß-Pressen in eine als Matrix unveränderte Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie (26, 27; 36, 37) mit einer Faserverstärkung (43, 44) versehen ist, die unidirektional oder ...The invention relates to a method for producing converter material modules (25, 35) and a converter material module (25, 35) according to patent application 10 2006 047 411.2, wherein the converter material module (25, 35) after its production by means of hot pressing on both sides on the transducer material element (5) molded thermoplastic composite (28, 29), from the associated electrodeization (19, 20) and from the compressed and temperature-dependent structure changed thermoplastic, the electrodeization (19, 20) containing carrier film (26, 27; 36, 37), wherein in the composite (28, 29, 38, 39) the thermoplastic carrier film (26, 27, 36, 37) passes through the integrated electrodeposition (19, 20) through cross-flow ribs (21, 22), the with the planar surfaces (23, 24) of the transducer material element (5) enter into adhesive connections and form a direct support of the thermoplastic composite (28, 29, 38, 39) on the transducer material element (5). The object is that forming bias voltages of the transducer material element can be aligned in certain preferred directions usable. The solution consists in that the carrier film (26, 27, 36), which is provided for the thermoplastic composite (28, 29, 38, 39) on both sides of the converter material element (5) and after hot-pressing into a thermoplastic film which is unchanged as a matrix, 37) is provided with a fiber reinforcement (43, 44) which is unidirectional or ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen und Wandlerwerkstoff-Module gemäß der Patentanmeldung 10 2006 047 411.2.The The invention relates to a method for producing transducer material modules and converter material modules according to the patent application 10 2006 047 411.2.

In der Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 kann das Wandlerwerkstoff-Modul vor seiner kompakten Herstellung aus einer Schichtfolge von mehreren planar ausgebildeten Elementen mit einem im zentralen Bereich vorgesehenen planaren Wandlerwerkstoff-Element und mit beidseitig daran angelegten Elektrodierungen sowie mit je einer kontaktierenden thermoplastischen Trägerfolie bestehen. Das in 1 dargestellte Wandlerwerkstoff-Element 15 weist nach seiner Herstellung mittels Heißpressens beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element 5 je einen daran angeformten thermoplastischen Verbund 16 aus der zugehörigen Elektrodierung 19, 20 und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung 19, 20 enthaltende Trägerfolie 17, 18 auf, wobei im Verbund 16 die thermoplastische Trägerfolie 17, 18 durch die integrierte Elektrodierung 19, 20 hindurch durchgreifende Fließstege 21, 22 enthält, die mit den planaren Oberflächen 23, 24 des Wandlerwerkstoff-Elements 5 adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes 16 am Wandlerwerkstoff-Element 5 ausbilden.In the patent application 10 2006 047 411.2, before its compact production, the converter material module can consist of a layer sequence of several planar-formed elements with a planar transducer material element provided in the central region and with electrodepositions applied thereto on both sides as well as with one contacting thermoplastic carrier foil. This in 1 illustrated transducer material element 15 has after its production by means of hot pressing on both sides of the transducer material element 5 depending on a molded thermoplastic composite 16 from the associated electrodeposition 19 . 20 and from the compressed and temperature-dependent structure changed thermoplastic, the electrodeization 19 . 20 containing carrier film 17 . 18 on, being in the composite 16 the thermoplastic carrier film 17 . 18 through the integrated electrodation 19 . 20 through sweeping flow ribs 21 . 22 Contains those with the planar surfaces 23 . 24 the transducer material element 5 enter adhesive bonds and a direct support of the thermoplastic composite 16 at the converter material element 5 form.

Damit liegt ein flächiges Wandlerwerkstoff-Modul 15 vor, bei welchem ein zentral angeordnetes Wandlerwerkstoff-Element 5 von einer Thermoplastmatrix 16 als Trägermaterial mit integrierter Elektrodierung umgeben ist, wobei als Ausgangskomponenten vor dem kombinierten Heißpressen für die dabei entstehenden Thermoplastmatrix-Ausbildungen in der Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 jeweils isotrope thermoplastische Trägerfolien 17, 18 eingesetzt sind.This is a flat transducer material module 15 before, in which a centrally arranged transducer material element 5 from a thermoplastic matrix 16 is surrounded as a support material with integrated electrodeposition, wherein as starting components before the combined hot pressing for the resulting thermoplastic matrix formations in the patent application 10 2006 047 411.2 each isotropic thermoplastic carrier films 17 . 18 are used.

Ein Problem besteht darin, dass aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialkomponenten es fertigungsbedingt zu Eigenspannungen im Wandlerwerkstoff-Element und somit zu einer undefiniert gerichteten Vorspannung desselben führt.One Problem is that due to different thermal Expansion coefficients of the individual material components due to production to residual stresses in the transducer material element and thus to a undefined biased bias leads the same.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen und Wandlerwerkstoff-Module gemäß der Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 anzugeben, die derart geeignet ausgebildet sind, dass die Vorspan nung des Wandlerwerkstoff-Elements in bestimmte Vorzugsrichtungen nutzbar ausgerichtet werden kann.Of the Invention is based on the object, a process for the preparation of converter material modules and converter material modules according to the patent application 10 2006 047 411.2, which are designed to be suitable that the preload tion of the transducer material element in certain Preferred directions can be aligned usable.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 2 gelöst. Das Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen nach der Patentanmeldung 10 2006 047 41 1.2, wobei zu Beginn eine Schichtfolge aller beteiligten Elemente mit einem im zentralen Bereich befindlichen Wandlerwerkstoff-Element und mit beiderseits anliegenden Elektrodierungen und thermoplastischen Trägerfolien herbeigeführt wird,
erfolgt mit folgenden Schritten:

  • – beidseitiges Anlegen jeweils einer am Wandlerwerkstoff-Element kontaktierenden planaren Elektrodierung und daran sich anschließenden thermoplastischen planaren Trägerfolie oder jeweils einer kontaktierenden elektrodierten thermoplastischen Trägerfolie am Wandlerwerkstoff-Element innerhalb einer luftdicht abgeschlossenen, wahlweise beheizbaren Unterdruckeinrichtung zu einem Schicht-Funktionsmodul
  • – Heizen des Schicht-Funktionsmoduls bis auf eine vorgegebene maximale Temperatur Tkons und Verpressen bis auf einen vorgegebenen maximalen Pressdruck bei gleichzeitiger Unterdruckerzeugung in der Unterdruckeinrichtung,
  • – Aufrechterhaltung der drei Parameterwerte – Temperatur, Pressdruck, Unterdruck – auf den jeweils eingestellten maximalen Niveaus für eine vorgegebene Zeitdauer bis die Sollparameter eines Kompakt-Funktionsmoduls erreicht sind, wobei der die Elektrodierungen und die jeweilige aufgeschmolzene thermoplastische Trägerfolie enthaltende Verbund an das Wandlerwerkstoff-Element angeformt werden, wobei nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer
  • – eine Verringerung der Temperatur auf eine zweite vorgegebene Temperatur Tpol oder auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur T0,
  • – eine Verringerung des Unterdrucks,
  • – eine Verringerung des Pressdrucks erfolgen, wobei die drei Verringerungsschritte in der angegebenen Reihenfolge zeitbeabstandet durchgeführt werden, und
  • – Lösen des Kompakt-Funktionsmoduls als Wandlerwerkstoff-Modul,
wobei eine Polarisierung bei Erreichen der zweiten Temperatur Tpol oder nach erfolgter Abkühlung auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur T0 durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die thermoplastintegrierten Elektrodierungen erzeugt wird, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 für den jeweiligen thermoplastischen Verbund beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements eine nach dem Heißpressen in eine als Matrix dienende Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie mit einer unidirektional oder bidirektional orientierten Faserverstärkung vor dem Heißpressen in die Schichtfolge eingesetzt wird.The object is solved by the features of claims 1 and 2. The method for the production of converter material modules according to the patent application 10 2006 047 41 1.2, wherein at the beginning a layer sequence of all involved elements is brought about with a transducer material element located in the central region and with both sides adjacent electrodepositions and thermoplastic carrier foils,
takes place with the following steps:
  • - Applying on both sides of each one on the transducer material element contacting planar electrodeization and subsequent thermoplastic planar carrier film or each contacting a thermoplastic foil carrier printed on transducer material element within a hermetically sealed, optionally heatable vacuum device to a layer function module
  • Heating the layer function module to a predetermined maximum temperature T cons and pressing to a predetermined maximum pressing pressure with simultaneous generation of negative pressure in the vacuum device,
  • - Maintaining the three parameter values - temperature, pressure, negative pressure - at the respectively set maximum levels for a predetermined period of time until the setpoint parameters of a compact function module are reached, wherein the compound containing the electrodings and the respective molten thermoplastic support film is integrally formed on the transducer material element being, after expiration of the predetermined period of time
  • A reduction of the temperature to a second predetermined temperature T pol or to the original starting temperature T 0 ,
  • A reduction of the negative pressure,
  • A reduction of the pressing pressure takes place, wherein the three reduction steps are carried out in the stated order with time spacing, and
  • - release of the compact function module as transducer material module,
wherein a polarization upon reaching the second temperature T pol or after cooling to the original starting temperature T 0 is generated by applying an electric field to the thermoplastintegrierten electrodings, according to the characterizing part of claim 1 for the respective thermoplastic composite on both sides of the transducer material element a after hot pressing into a thermoplastic film used as a matrix, the carrier film is used with a unidirectionally or bidirectionally oriented fiber reinforcement before the hot pressing into the layer sequence.

Der Wandlerwerkstoff-Modul nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 weist nach seiner Herstellung mittels Heißpressens einen beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element angeformten thermoplastischen Verbund, bestehend aus der zugehörigen Elektrodierung und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung enthaltende Trägerfolie auf, wobei im Verbund die thermoplastische Trägerfolie durch die integrierte Elektrodierung hindurch durchgreifende Fließstege enthält, die mit den planaren Oberflächen des Wandlerwerkstoff-Elements adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes am Wandlerwerkstoff-Element ausbilden, wobei gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 2 die für den thermoplastischen Verbund beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements vorgesehene und nach dem Heißpressen in eine als Matrix unveränderte Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie mit einer Faserverstärkung versehen ist, die unidirektional oder bidirektional verstärkt ist und somit mit anisotropen richtungsabhängigen Werkstoffkennwerten ausgebildet ist.The converter material module according to patent application 10 2006 047 411.2 has his Her Position by means of hot pressing on both sides of the transducer material element molded thermoplastic composite, consisting of the associated and the compressed and temperature-dependent structure changed thermoplastic, the electrodeization-containing carrier film, wherein in the composite thermoplastic carrier film through the integrated electrodeization thorough cross-flow webs containing form adhesive connections to the planar surfaces of the transducer material element and form a direct support of the thermoplastic composite on the transducer material element, according to the characterizing part of claim 2 which provided for the thermoplastic composite on both sides of the transducer material element and after hot pressing in a matrix unchanged Thermoplastic film modified carrier film is provided with a fiber reinforcement, which is unidirectionally or bidirectionally reinforced and thus with anisotropic r is formed ichtungsabhängigen material properties.

Die anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en kann/können über den Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt sein.The anisotropy-related / -n preferred direction (s) can / can be set via the angle φ 1 between a fiber bias direction and a predetermined global xyz coordinate system.

Die anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en kann/können bei einer unidirektionalen Faserverstärkung in den Trägerfolien über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt sein.The anisotropy-related preferential direction (s) may be set at an angle φ 1 between a fiber bias direction and a given global xyz coordinate system for unidirectional fiber reinforcement in the carrier films.

Die unidirektional orientierten Faserverstärkungen bestehen jeweils aus einem Feld parallel zueinander gerichteter Fasern.The unidirectionally oriented fiber reinforcements are made respectively a field of parallel fibers.

Die unidirektional orientierten Fasern in den Trägerfolien können modulrandseitig außermittig und parallel zur Folienschichtmittenebene eingebettet sein, wobei sich die Richtung der Fasern nach der vorgegebenen Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements richtet. Die unidirektional orientierten Fasern können aber bei ausreichender Schichtdicke der Trägerfolien auch schichtmittig eingebracht sein.The Unidirectionally oriented fibers in the carrier films may be eccentric on the module edge side and be embedded parallel to the film layer center plane, wherein The direction of the fibers according to the predetermined bias of Transformer element aligned. The unidirectionally oriented fibers can but with sufficient layer thickness of the carrier films also in the middle of the layer be introduced.

Die anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en kann/können bei einer bidirektionalen Faserverstärkung in den Trägerfolien über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt sein.The anisotropy-related preferred direction (s) may be set at a bidirectional fiber gain in the carrier films over an angle φ 1 between a fiber bias direction and a given global xyz coordinate system.

Die bidirektional orientierten Faserverstärkungen können aus einem Netz von sich kreuzenden Feldern aus jeweils parallel zueinander gerichteter Fasern bestehen.The Bidirectionally oriented fiber reinforcements can come from a network of their own intersecting fields of parallel fibers consist.

Die zugehörigen bidirektional orientierten Fasern können in den vor dem Heißpressen noch unveränderten Trägerfolien außermittig und parallel zur Folienschichtmittenebene eingebettet sein, können aber bei ausreichender Schichtdicke der Trägerfolien auch schichtmittig eingebracht sein.The associated Bidirectionally oriented fibers can be used in the before hot pressing still unchanged carrier films eccentrically and embedded parallel to the film layer center plane, but can with sufficient layer thickness of the carrier films also in the middle of the layer be introduced.

Bei den elektrodierten thermoplastischen Trägerfolien, die zur Heißpressung auf das Wandlerwerkstoff-Element vorgesehen sind, kann vorzugsweise ein vorgegebener folieninnerer Abstand zwischen der Elektrodierung und den Faserfeldern oder dem Fasernetz vorhanden sein.at the electroded thermoplastic carrier films used for hot pressing are provided on the transducer material element, may preferably a given foil-internal distance between the electrodeposition and the fiber fields or the fiber network.

Resultierende richtungsabhängige Dehnungen nach dem fertigungsbedingten Heißpressen eines als Thermoplastmatrix ausgebildeten Verbunds können bei der Abkühlung auf Raumtemperatur zur gezielten richtungsabhängigen Vorspannung in Form einer eigenspannungsinduzierten Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements führen.resulting directional Strains after the production-related hot pressing of a thermoplastic matrix trained composite can during cooling to room temperature for targeted directional bias in the form of a intrinsic voltage induced bias of the transducer material element to lead.

Die Eigenspannungen können die Polarisation des Wandlerwerkstoff-Elements unterstützen. Als Wandlerwerkstoff-Elemente können Piezokeramiken eingesetzt seinThe Residual stresses can support the polarization of the transducer material element. As transducer material elements can Be used piezoceramics

Die Eigenspannungen zur Induzierung von gerichteten Druck-Eigenspannungen können, um die empfindliche Piezokeramik des Wandlerwerkstoff-Elements gegen betriebsbedingte kritische Zugspannungen zu schützen, nutzbar sein.The Residual stresses to induce directional compressive residual stress can, to the sensitive piezoceramic of the transducer material element against to protect operational critical tensile stresses, be usable.

Als Wandlerwerkstoff-Elemente können auch gesponnene PZT-Fasern (Bleizirkoniumtitanat-Fasern) eingesetzt sein, die in paralleler seitenkontaktierender Verbindung zu jeweils einer schichtartigen Anordnung zusammengefügt sind.When Transformer material elements can also spun PZT (lead zirconium titanate) fibers, in parallel side-contacting connection to one each layered arrangement are joined together.

Die PZT-Fasern des Wandlerwerkstoff-Elements können über die anisotropen Trägerfolien in Faserrichtung oder senkrecht zur Faserrichtung vorspannbar sein.The PZT fibers of the transducer material element can via the anisotropic carrier films be prestressed in the fiber direction or perpendicular to the fiber direction.

In beiden Darstellungen des Wandlerwerkstoff-Moduls (unidirektional oder bidirektional) befindet sich das zentral angeordnete Wandlerwerkstoff-Element eingeschlossen zwischen Elektrodenstrukturen und den als Trägerfolie und anschließend als Matrix dienenden Thermoplastfolien. Es besteht die Möglichkeit, die Thermoplastfolien mit der gezielten Faserverstärkung in unidirektionaler bzw. auch bidirektionaler Richtung zu versehen. Die somit entstehende anisotrope thermoplastische Trägerfolie besitzt entgegen isotropen Werkstoffen richtungsabhängige Werkstoffkennwerte, insbesondere in verschiedene Richtungen unterschiedliche thermische Längenaus dehnungskoeffizienten sowie Quellkoeffizienten. Die resultierenden richtungsabhängigen Dehnungen nach dem fertigungsbedingten Heißpressen und Aufschmelzen der Thermoplastmatrix bei der Abkühlung auf Raumtemperatur können zur gezielten richtungsabhängigen Vorspannung in Form einer eigenspannungsinduzierten Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements bzw. der Wandlerwerkstoff-Elemente, die z. B. als einzelne Piezo-Fasern ausgebildet sind, genutzt werden. Die gezielte Einstellung der Vorzugsrichtung/-en erfolgt dabei jeweils über vorgegebene Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und dem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem des betreffenden Wandlerwerkstoff-Moduls.In both representations of the transducer material module (unidirectional or bidirectional), the centrally arranged transducer material element is enclosed between electrode structures and the thermoplastic films serving as a carrier film and subsequently as a matrix. It is possible to provide the thermoplastic films with the targeted fiber reinforcement in unidirectional or bidirectional direction. The resulting anisotropic thermoplastic carrier film has directional material characteristics, contrary to isotropic materials, in particular different thermal expansion coefficients in different directions and expansion coefficients. The resulting directional strains after the production-related hot Pressing and melting of the thermoplastic matrix in the cooling to room temperature can for targeted directional bias in the form of an intrinsic stress-induced bias of the transducer material element or the transducer material elements, the z. B. are formed as a single piezo fibers used. The specific setting of the preferred direction / -en takes place in each case via predetermined angle φ 1 between a fiber bias direction and the predetermined global xyz coordinate system of the relevant transducer material module.

Die Eigenspannungen können

  • a) vorteilhaft zur Unterstützung der Polarisation des Wandlerwerkstoff-Elements in Form des Piezokeramikelements bzw. der Piezokeramikfasern,
  • b) zur Induzierung von „gerichteten" Druck-Eigenspannungen, um die empfindliche Piezokeramik gegen betriebsbedingte kritische Zugspannungen zu schützen und
  • c) zur Kompensation oder Verstärkung anisotropiebedingter Spannungszustände der Tragstruktur, in welche das Wandlerwerkstoff-Modul integriert wird,
genutzt werden.The residual stresses can
  • a) advantageous for supporting the polarization of the transducer material element in the form of the piezoceramic element or the piezoceramic fibers,
  • b) to induce "directed" compressive residual stresses to protect the sensitive piezoceramic against operational critical tensile stresses and
  • c) for compensating or amplifying anisotropy-related stress states of the support structure into which the converter material module is integrated,
be used.

Die besondere Bedeutung des gesteuert vorgespannten Wandlerwerkstoff-Moduls resultiert aus der Fertigung und dem Einsatz von Piezofaser-Verbunden (engl. piezofibre-composites – PFC –). Bei dieser Art des Wandlerwerkstoff-Elements werden gesponnene PZT-Fasern in paralleler nebeneinander kontaktierender und schichtartiger Anordnung als Wandlerwerkstoff-Elemente eingesetzt. Für diese Piezofaser-Verbunde besteht das Ziel, die PZT-Fasern über eine anisotrope Trägerfolie gezielt in Faserrichtung oder senkrecht zur Faserrichtung vorzuspannen, um die bestmöglichen Eigenschaften für das Wandlerwerkstoff-Modul zu erzielen.The special significance of the controlled preloaded converter material module results from the production and the use of piezo fiber composites (English piezofibre-composites - PFC -). At this Type of transducer material element are spun PZT fibers in parallel side by side contacting and layered arrangement used as transducer material elements. For these piezofiber composites exists the goal, the PZT fibers over an anisotropic carrier film selectively bias in the direction of the grain or perpendicular to the grain, to the best possible Properties for to achieve the converter material module.

Eine anisotrope Vorspannung der Wandlerwerkstoff-Elemente ist zur gezielten Verstärkung oder Abminderung der in einem anisotropen Verbundwerkstoff vorhandenen fertigungs- und betriebsbedingten Eigenspannungen vorteilhaft.A anisotropic bias of the transducer material elements is targeted Reinforcement or Reduction of existing in an anisotropic composite production and operational residual stresses advantageous.

Die Eigenspannungen können sowohl prozessseitig über Prozesstemperatur, -druck, -zeit als auch werkstoffseitig durch eine vorgegebene Auslegung der anisotropen Trägerfolie, wobei sich die Auslegung auf eine Variation der Verstärkungsart und -richtung bezieht, hinsichtlich der richtungsabhängigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß αx = α1cos2ϕ1 + α2sin2ϕ1, αy = α1sin2ϕ1 + α2cos2ϕ1, αxy = 2(α1 – α2)cosϕ1sinϕ1 (I)mit den thermomechanischen Grundkennwerten α1 und a2 sowie hinsichtlich der Quellkoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß βx = β1cos2ϕ1 + β2sin2ϕ1, βy = β1sin2ϕ1 + β2cos2ϕ1, βxy = 2(β1 – β2)cosϕ1sinϕ1 (II)mit den hygroskopischen Grundkennwerten β1 und β2 über die Gleichung σ = Cε – αΔT – βΔM (III)mit der Steifigkeitsmatrix C, der Temperaturdifferenz ΔT und der relativen Medienkonzentration ΔM eingestellt werden.The residual stresses can both process-side over process temperature, pressure, time and the material side by a predetermined interpretation of the anisotropic carrier film, the interpretation refers to a variation of the reinforcement type and direction, with respect to the directional coefficients of thermal expansion in the x and y direction according to α x = α 1 cos 2 φ 1 + α 2 sin 2 φ 1 , α y = α 1 sin 2 φ 1 + α 2 cos 2 φ 1 , α xy = 2 (α 1 - α 2 ) cos 1 sinφ 1 (I) with the basic thermomechanical parameters α 1 and a 2 and with regard to the swelling coefficients in the x and y directions according to FIG β x = β 1 cos 2 φ 1 + β 2 sin 2 φ 1 , β y = β 1 sin 2 φ 1 + β 2 cos 2 φ 1 , β xy = 2 (β 1 - β 2 ) cos 1 sinφ 1 (II) with the basic hygroscopic values β 1 and β 2 via the equation σ = Cε - α ΔT - β ΔM (III) with the stiffness matrix C , the temperature difference ΔT and the relative media concentration ΔM.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen mittels Zeichnungen näher erläutert:
Es zeigen:
The invention will be explained in more detail with reference to two exemplary embodiments by means of drawings:
Show it:

1 eine schematische Darstellung des Wandlerwerkstoff-Moduls nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2, 1 a schematic representation of the converter material module according to patent application 10 2006 047 411.2,

2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ersten Wandlerwerkstoff-Moduls mit beidseitig zum Wandlerwerkstoff-Element angeformten und mit unidirektional gerichteten Fasern verstärkten Thermoplast-Elektrodierungs-Verbunden, wobei 2 a schematic representation of a first transducer material module according to the invention with both sides of the transducer material element formed and reinforced with unidirectional fibers reinforced thermoplastic electrodeation composites, wherein

2a eine perspektivische Explosions-Darstellung in Form eines Thermoplast-Piezokeramik-Moduls (TPM) mit unidirektional faserverstärkter Thermoplastmatrix und 2a an exploded perspective view in the form of a thermoplastic piezoceramic module (TPM) with unidirectional fiber reinforced thermoplastic matrix and

2b einen Ausschnitt längs der Ebene I-I in 2a nach Durchführung des Heißpressens
zeigen,
2 B a section along the level II in 2a after performing the hot pressing
demonstrate,

3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen zweiten Wandlerwerkstoff-Moduls mit beidseitig zum Wandlerwerkstoff-Element angeformten und mit bidirektional gerichteten Fasern verstärkten Thermoplast-Elektrodierungs-Verbunden, wobei 3 a schematic representation of a second transducer material module according to the invention with both sides of the transducer material element formed and reinforced with bi-directional fibers reinforced thermoplastic electrodeation composites, wherein

3a eine perspektivische Explosions-Darstellung in Form eines Thermoplast-Piezokeramik-Moduls (TPM) mit bidirektional faserverstärkter Thermoplastmatrix und 3a an exploded perspective view in the form of a thermoplastic piezoceramic module (TPM) with bidirectional fiber reinforced thermoplastic matrix and

3b einen Ausschnitt längs der Ebene II-II in 3a nach Durchführung des Heißpressens
zeigen.
3b a section along the plane II-II in 3a after performing the hot pressing
demonstrate.

Im Folgenden werden die 2, 2a, 2b gemeinsam betrachtet.The following are the 2 . 2a . 2 B considered together.

In 2b ist ein erstes Wandlerwerkstoff-Modul 25 dargestellt, das aus dem Wandlerwerkstoff-Modul 15 nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 heraus in vielen Eigenschaften verbessert wird. Das in 2 dargestellte Wandlerwerkstoff-Modul 25 besteht vor seiner kompakten Herstellung aus einer Schichtfolge von mehreren planer ausgebildeten Elementen mit einem im zentralen Bereich vorgesehenen planeren Wandlerwerkstoff-Element 5 und mit beidseitig daran angelegten Elektrodierungen 19, 20 sowie mit je einer kontaktierenden thermoplastischen Trägerfolie 26, 27 und weist nach seiner Herstellung mittels Heißpressens je einen beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element 5 angeformten thermoplastischen Verbund 28, 29, bestehend aus der zugehörigen Elektrodierung 19, 20 und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung 19, 20 enthaltende Trägerfolie 26, 27 auf, wobei im Verbund 28, 29 die thermoplastische Trägerfolie 26, 27 durch die integrierte Elektrodierung 19, 20 hindurch durchgreifende Fließstege 21, 22 enthält, die mit den planaren Oberflächen 23, 24 des Wandlerwerkstoff-Elements 5 adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes 28, 29 am Wandlerwerkstoff-Element 5 ausbilden.In 2 B is a first converter material module 25 shown, from the converter material module 15 after patent application 10 2006 047 411.2 out in many properties is improved. This in 2 illustrated converter material module 25 before its compact production consists of a layer sequence of several planer formed elements with a planned in the central region planar transducer material element 5 and with electrodings applied on both sides 19 . 20 and each with a contacting thermoplastic carrier film 26 . 27 and, after its production by means of hot pressing, one on each side on the converter material element 5 molded thermoplastic composite 28 . 29 consisting of the associated electrodeposition 19 . 20 and from the compressed and temperature-dependent structure changed thermoplastic, the electrodeization 19 . 20 containing carrier film 26 . 27 on, being in the composite 28 . 29 the thermoplastic carrier film 26 . 27 through the integrated electrodation 19 . 20 through sweeping flow ribs 21 . 22 Contains those with the planar surfaces 23 . 24 the transducer material element 5 enter adhesive bonds and a direct support of the thermoplastic composite 28 . 29 at the converter material element 5 form.

Erfindungsgemäß ist, wie in den 2a, 2b gezeigt ist, die für den thermoplastischen Verbund 28, 29 beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements 5 vorgesehene und nach dem Heißpressen in eine als Matrix unveränderte Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie 26, 27 mit einer Faserverstärkung 43 versehen, die unidirektional verstärkt ist und somit mit anisotropen richtungsabhängigen Werkstoffkennwerten ausgebildet ist.According to the invention, as in the 2a . 2 B shown is that for the thermoplastic composite 28 . 29 on both sides of the transducer material element 5 provided and after hot pressing in a thermoplastic resin film unchanged as a matrix changed carrier film 26 . 27 with a fiber reinforcement 43 provided, which is unidirectionally reinforced and thus formed with anisotropic direction-dependent material properties.

Die anisotrope/-n Vorzugsrichtung/-en ist/sind bei der unidirektionalen Faserverstärkung 43 in den Trägerfolien 26, 27 über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt. Die in 2a unidirektional orientierten Faserverstärkungen 43 bestehen jeweils aus einem Feld parallel zueinander gerichteter Fasern 30, die vorzugsweise modulrandseitig außermittig zur Folienschichtmittenebene der Trägerfolien 26, 27 in diese eingebettet sind. Die Richtung der Fasern 30 richtet sich nach der vorgegebenen Beeinflussung der Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements 5.The anisotropic preferential direction (s) is / are in unidirectional fiber reinforcement 43 in the carrier foils 26 . 27 set at an angle φ 1 between a fiber biasing direction and a predetermined global xyz coordinate system. In the 2a unidirectionally oriented fiber reinforcements 43 each consist of a field of parallel fibers 30 Preferably, the module edge side eccentrically to the film layer center plane of the carrier films 26 . 27 are embedded in these. The direction of the fibers 30 depends on the predetermined influence of the bias of the transducer material element 5 ,

Im Folgenden werden die 3, 3a, 3b gemeinsam betrachtet.The following are the 3 . 3a . 3b considered together.

In 3 ist ein zweites Wandlerwerkstoff-Modul 35 dargestellt, das aus dem Wandlerwerkstoff-Modul 15 nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2 heraus in vielen Eigenschaften verbessert wird. Das in 3 dargestellte zweite Wandlerwerkstoff-Modul 35 besteht vor seiner kompakten Herstellung ebenfalls aus einer Schichtfolge von mehreren planar ausgebildeten Elementen mit einem im Zentrum vorgesehenen planaren Wandlerwerkstoff-Element 5 und mit beidseitig daran angelegten Elektrodierungen 19, 20 sowie mit je einer kontaktierenden thermoplastischen Trägerfolie 36, 37, und weist nach seiner Herstellung mittels Heißpressens einen beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element 5 angeformten thermoplastischen Verbund 38, 39 auf, bestehend aus der zugehörigen Elektrodierung 19, 20 und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung 19, 20 enthaltende Trägerfolie 36, 37, wobei im Verbund 38, 39 die thermoplastische Trägerfolie 36, 37, wie in 3b gezeigt ist, durch die integrierte Elektrodierung 19, 20 hindurch durchgreifende Fließstege 21, 22 enthält, die mit den planaren Oberflächen 23, 24 des Wandlerwerkstoff-Elements 5 adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes 38, 39 am Wandlerwerkstoff-Element 5 ausbilden,In 3 is a second converter material module 35 shown, from the converter material module 15 after patent application 10 2006 047 411.2 out in many properties is improved. This in 3 illustrated second converter material module 35 Before its compact production, it also consists of a layer sequence of several planar-shaped elements with a planar converter material element provided in the center 5 and with electrodings applied on both sides 19 . 20 and each with a contacting thermoplastic carrier film 36 . 37 , And has after its production by means of hot pressing on both sides of the transducer material element 5 molded thermoplastic composite 38 . 39 on, consisting of the associated Elektrodierung 19 . 20 and from the compressed and temperature-dependent structure changed thermoplastic, the electrodeization 19 . 20 containing carrier film 36 . 37 , where in the composite 38 . 39 the thermoplastic carrier film 36 . 37 , as in 3b shown by the integrated electrodeposition 19 . 20 through sweeping flow ribs 21 . 22 Contains those with the planar surfaces 23 . 24 the transducer material element 5 enter adhesive bonds and a direct support of the thermoplastic composite 38 . 39 at the converter material element 5 form,

Erfindungsgemäß ist, wie in den 3a, 3b gezeigt ist, die für den thermoplastischen Verbund 38, 39 beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements 5 vorgesehene und nach dem Heißpressen in eine als Matrix unveränderte Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie 36, 37 mit einer Faserverstärkung 44 versehen, die bidirektional verstärkt ist und somit mit anisotropen richtungsabhängigen Werkstoffkennwerten ausgebildet ist.According to the invention, as in the 3a . 3b shown is that for the thermoplastic composite 38 . 39 on both sides of the transducer material element 5 provided and after hot pressing in a thermoplastic resin film unchanged as a matrix changed carrier film 36 . 37 with a fiber reinforcement 44 provided, which is bidirectionally reinforced and thus formed with anisotropic direction-dependent material properties.

Die anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en ist/sind bei der bidirektionalen Faserverstärkung 44 in den Trägerfolien 36, 37 über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt. Die in 3a bidirektional orientierten Faserverstärkungen 44 bestehen jeweils aus einem Netz von sich kreuzenden Feldern aus jeweils parallel zueinander gerichteter Fasern 40, 41, die vorzugsweise außermittig und parallel zur Folienschichtmittenebene der vor dem Heißpressen noch unveränderten Trägerfolien 36, 37 eingebettet sind.The anisotropy-related preferred direction (s) is / are in bidirectional fiber amplification 44 in the carrier foils 36 . 37 set at an angle φ 1 between a fiber biasing direction and a predetermined global xyz coordinate system. In the 3a bidirectionally oriented fiber reinforcements 44 each consist of a network of intersecting fields of parallel fibers 40 . 41 , which preferably eccentrically and parallel to the film layer center plane of the prior to hot pressing still unchanged carrier films 36 . 37 are embedded.

Resultierende richtungsabhängige Dehnungen können nach dem fertigungsbedingten Heißpressen eines als Thermoplastmatrix ausgebildeten Verbunds 28, 29; 38, 39 bei der Abkühlung auf Raumtemperatur zur gezielten richtungsabhängigen Vorspannung in Form einer eigenspannungsinduzierte Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elementes 5 führen.Resulting direction-dependent strains can after the production-related hot pressing a formed as a thermoplastic matrix composite 28 . 29 ; 38 . 39 during cooling to room temperature for targeted directional bias in the form of an intrinsic stress-induced bias of the transducer material element 5 to lead.

Die Eigenspannungen können die Polarisation des Wandlerwerkstoff-Elementes 5 unterstützen, wobei das Wandlerwerkstoff-Element 5 eine schichtartige Piezokeramik darstellen kannThe residual stresses can be the polarization of the transducer material element 5 support, wherein the transducer material element 5 can represent a layered piezoceramic

Die Eigenspannungen können auch zur Induzierung von gerichteten Druck-Eigenspannungen, um die empfindliche Piezokeramik des Wandlerwerkstoff-Elementes 5 gegen betriebsbedingte kritische Zugspannungen zu schützen, nutzbar sein.The residual stresses can also be used for In Duction of directed pressure residual stresses around the sensitive piezoceramic of the transducer material element 5 to protect against operational critical tensile stresses to be usable.

Als Wandlerwerkstoff-Elemente 5 können, wie in den 2a und 3a gezeigt ist, gesponnene PZT-Fasern 42 eingesetzt sein, die in paralleler seitenkontaktierender Verbindung zu jeweils einer schichtartigen Anordnung zusammengefügt sind.As transducer material elements 5 can, as in the 2a and 3a shown, spun PZT fibers 42 be used, which are joined together in parallel side-contacting compound to a layer-like arrangement.

Die PZT-Fasern 42 können über die anisotropen Trägerfolien 26, 27; 36, 37 in Faserrichtung vorspannbar sein.The PZT fibers 42 can over the anisotropic carrier foils 26 . 27 ; 36 . 37 be prestressed in the fiber direction.

Das Verfahren zur Herstellung der vordem angegebenen Wandlerwerkstoff-Module 25, 35, wobei zu Beginn eine Schichtfolge aller beteiligten Elemente mit einem im zentralen Bereich befindlichen Wandlerwerkstoff-Element 5 und mit beiderseits anliegenden Elektrodierungen 19, 20 und thermoplastischen Trägerfolien 26, 27; 36, 37 herbeigeführt wird,
erfolgt mit folgenden Schritten:

  • – beidseitiges Anlegen jeweils einer am Wandlerwerkstoff-Element 5 kontaktierenden planaren Elektrodierung 19, 20 und daran sich anschließenden thermoplastischen planaren Trägerfolie 26, 27; 36, 37 oder jeweils einer kontaktierenden elektrodierten thermoplastischen Trägerfolie (nicht in Fig. eingezeichnet) am Wandlerwerkstoff-Element 5 innerhalb einer luftdicht abgeschlossenen, wahlweise beheizbaren Unterdruckeinrichtung zu einem Schicht-Funktionsmodujeweils,
  • – Heizen des Schicht-Funktionsmoduls bis auf eine vorgegebene maximale Temperatur Tkons und Verpressen bis auf einen vorgegebenen maximalen Pressdruck bei gleichzeitiger Unterdruckerzeugung in der Unterdruckeinrichtung,
  • – Aufrechterhaltung der drei Parameterwerte – Temperatur, Pressdruck, Unterdruck – auf den jeweils eingestellten maximalen Niveaus für eine vorgegebene Zeitdauer bis die Sollparameter eines Kompakt-Funktionsmoduls 25, 35 erreicht sind, wobei der die Elektrodierungen 19, 20 und die jeweilige aufgeschmolzene thermoplastische Trägerfolie 26, 27; 36, 37 enthaltende Verbund 28, 29; 38, 39 an das Wandlerwerkstoff-Element 5 angeformt werden, wobei nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer
  • – eine Verringerung der Temperatur auf eine zweite vorgegebene Temperatur Tpol oder auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur T0,
  • – eine Verringerung des Unterdrucks,
  • – eine Verringerung des Pressdrucks erfolgen, wobei die drei Verringerungsschritte in der angegebenen Reihenfolge zeitbeabstandet durchgeführt werden, und
  • – Lösen des Kompakt-Funktionsmoduls 25, 35 als Wandlerwerkstoff-Modul,
wobei eine Polarisierung bei Erreichen der zweiten Temperatur Tpol oder nach erfolgter Abkühlung auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur T0 durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die thermoplastintegrierten Elektrodierungen 19, 20 erzeugt wird.The method for producing the previously specified converter material modules 25 . 35 , where at the beginning a layer sequence of all elements involved with a located in the central region transducer material element 5 and with both sides adjacent Elektrodierungen 19 . 20 and thermoplastic carrier films 26 . 27 ; 36 . 37 is brought about,
takes place with the following steps:
  • - Two-sided application of one at the transducer material element 5 contacting planar electrodeposition 19 . 20 and subsequent thermoplastic planar support film 26 . 27 ; 36 . 37 or in each case a contacting electrodated thermoplastic carrier film (not shown in FIG.) on the transducer material element 5 within a hermetically sealed, optionally heatable vacuum device to a Schicht-Funktionsmodujeweils,
  • Heating the layer function module to a predetermined maximum temperature T cons and pressing to a predetermined maximum pressing pressure with simultaneous generation of negative pressure in the vacuum device,
  • - Maintaining the three parameter values - temperature, pressure, negative pressure - at the set maximum levels for a given period until the setpoint parameters of a compact function module 25 . 35 are reached, wherein the Elektrodierungen 19 . 20 and the respective molten thermoplastic carrier film 26 . 27 ; 36 . 37 containing composite 28 . 29 ; 38 . 39 to the transducer material element 5 be formed, wherein after the predetermined period of time
  • A reduction of the temperature to a second predetermined temperature T pol or to the original starting temperature T 0 ,
  • A reduction of the negative pressure,
  • A reduction of the pressing pressure takes place, wherein the three reduction steps are carried out in the stated order with time spacing, and
  • - Release the compact function module 25 . 35 as converter material module,
wherein a polarization upon reaching the second temperature T pol or after cooling to the original starting temperature T 0 by applying an electric field to the thermoplastintegrierten electrodings 19 . 20 is produced.

Erfindungsgemäß wird für den jeweiligen thermoplastischen Verbund 28, 29; 38, 39 beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements 5 eine nach dem Heißpressen in eine als Matrix dienende Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie 26, 27; 36, 37 mit einer unidirektional oder bidirektional orientierten Faserverstärkung 43, 44 vor dem Heißpressen in die Schichtfolge eingesetzt.According to the invention for the respective thermoplastic composite 28 . 29 ; 38 . 39 on both sides of the transducer material element 5 an after hot pressing in a serving as a matrix thermoplastic film modified carrier film 26 . 27 ; 36 . 37 with unidirectional or bidirectionally oriented fiber reinforcement 43 . 44 used before the hot pressing in the layer sequence.

Mit der anisotropen Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements 5 durch die jeweiligen Faserfelder mit den darin vorgegebenen Ausrichtungen der Fasern 30 oder 40, 41 kann eine gezielten Verstärkung oder Abminderung der vorhandenen fertigungs- und betriebsbedingten Eigenspannungen erreichbar sein.With the anisotropic bias of the transducer material element 5 through the respective fiber fields with the fiber orientations therein 30 or 40 . 41 Targeted reinforcement or reduction of the existing production and operational residual stresses can be achieved.

Die Eigenspannungen lassen sich dabei sowohl prozessseitig über Prozesstemperatur, -druck, -zeit als auch werkstoffseitig durch eine vorgegebene Auslegung der anisotropen Trägerfolie 26, 27, 36, 37, wobei sich die Auslegung auf eine Variation der Verstärkungsart und -richtung bezieht, hinsichtlich der richtungsabhängigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß αx = α1cos2ϕ1 + α2sin2ϕ1, αy = α1sin2ϕ1 + α2cos2ϕ1, αxy = 2(α1 – α2)cosϕ1sinϕ1 (I)mit den thermomechanischen Grundkennwerten α1 und α2 sowie hinsichtlich der Quellkoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß βx = β1cos2ϕ1 + β2sin2ϕ1, βy = β1sin2ϕ1 + β2cos2ϕ1, βxy = 2(β1 – β2)cosϕ1sinϕ1 (II) mit den hygroskopischen Grundkennwerten β1 und β2 über die Gleichung σ = Cε – αΔT – βΔM (III)mit der Steifigkeitsmatrix C, der Temperaturdifferenz ΔT und der relativen Medienkonzentration ΔM gezielt einstellen.The internal stresses can be both process-side over process temperature, pressure, time and material side by a predetermined design of the anisotropic carrier film 26 . 27 . 36 . 37 , wherein the design relates to a variation of the reinforcement type and direction, in terms of the directional thermal expansion coefficients in the x and y direction according to α x = α 1 cos 2 φ 1 + α 2 sin 2 φ 1 , α y = α 1 sin 2 φ 1 + α 2 cos 2 φ 1 , α xy = 2 (α 1 - α 2 ) cos 1 sinφ 1 (I) with the basic thermomechanical parameters α 1 and α 2 as well as with regard to the swelling coefficients in the x and y directions according to FIG β x = β 1 cos 2 φ 1 + β 2 sin 2 φ 1 , β y = β 1 sin 2 φ 1 + β 2 cos 2 φ 1 , β xy = 2 (β 1 - β 2 ) cos 1 sinφ 1 (II) with the basic hygroscopic values β 1 and β 2 via the equation σ = Cε - α ΔT - β ΔM (III) with the stiffness matrix C , set the temperature difference ΔT and the relative media concentration ΔM.

Die Erfindung zur vorgegeben gerichteten Beeinflussung von Vorspannungen ermöglicht es, dass ein richtungsabhängig vorgespanntes Wandlerwerkstoff-Modul 25, 35 entstanden ist.The invention for the pre-determined influence of bias voltages allows a directionally biased transducer material module 25 . 35 originated.

55
Wandlerwerkstoff-ElementConverter material element
1515
Wandlerwerkstoff-ModulConverter material module
1616
Verbundcomposite
1717
isotrope Trägerfolieisotropic support film
1818
isotrope Trägerfolieisotropic support film
1919
erste Elektrodierungfirst Elektrodierung
2020
zweite Elektrodierungsecond Elektrodierung
2121
erster Fließstegfirst floating dock
2222
zweiter Fließstegsecond floating dock
2323
erste Oberflächefirst surface
2424
zweite Oberflächesecond surface
2525
Wandlerwerkstoff-ModulConverter material module
2626
anisotrope Trägerfolieanisotropic support film
2727
anisotrope Trägerfolieanisotropic support film
2828
Verbundcomposite
2929
Verbundcomposite
3030
Faserfiber
3535
Wandlerwerkstoff-ModulConverter material module
3636
anisotrope Trägerfolieanisotropic support film
3737
anisotrope Trägerfolieanisotropic support film
3838
Verbundcomposite
3939
Verbundcomposite
4040
Faserfiber
4141
Faserfiber
4242
PZT-FaserPZT fiber
4343
unidirektionale Faserverstärkungunidirectional fiber reinforcement
4444
bidirektionale Faserverstärkungbidirectional fiber reinforcement
ϕ1 φ 1
Winkel der Faserrichtungangle the fiber direction

Claims (16)

Verfahren zur Herstellung von Wandlerwerkstoff-Modulen (25, 35) nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2, wobei zu Beginn eine Schichtfolge aller beteiligten Elemente mit einem im zentralen Bereich befindlichen Wandlerwerkstoff-Element (5) und mit beiderseits anliegenden Elektrodierungen (19, 20) und thermoplastischen Trägerfolien (26, 27; 36, 37) herbeigeführt wird, mit folgenden Schritten, – beidseitiges Anlegen jeweils einer am Wandlerwerkstoff-Element (5) kontaktierenden planaren Elektrodierung (19, 20) und daran sich anschließenden thermoplastischen planaren Trägerfolie (26, 27; 36, 37) oder jeweils einer kontaktierenden elektrodierten thermoplastischen Trägerfolie am Wandlerwerkstoff-Element (5) innerhalb einer luftdicht abgeschlossenen, wahlweise beheizbaren Unterdruckeinrichtung zu einem Schicht-Funktionsmodul, – Heizen des Schicht-Funktionsmoduls bis auf eine vorgegebene maximale Temperatur (Tkons) und Verpressen bis auf einen vorgegebenen maximalen Pressdruck bei gleichzeitiger Unterdruckerzeugung in der Unterdruckeinrichtung, – Aufrechterhaltung der drei Parameterwerte – Temperatur, Pressdruck, Unterdruck – auf den jeweils eingestellten maximalen Niveaus für eine vorgegebene Zeitdauer bis die Sollparameter eines Kompakt-Funktionsmoduls (25, 35) erreicht sind, wobei der die Elektrodierungen (19, 20) und die jeweilige aufgeschmolzene thermoplastische Trägerfolie (26, 27; 36, 37) enthaltende Verbund (28, 29; 38, 39) an das Wandlerwerkstoff-Element (5) angeformt werden, wobei nach Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer – eine Verringerung der Temperatur auf eine zweite vorgegebene Temperatur (Tpol) oder auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur (T0), – eine Verringerung des Unterdrucks, – eine Verringerung des Pressdrucks erfolgen, wobei die drei Verringerungsschritte in der angegebenen Reihenfolge zeitbeabstandet durchgeführt werden, und – Lösen des Kompakt-Funktionsmoduls (25, 35) als Wandlerwerkstoff-Modul, wobei eine Polarisierung bei Erreichen der zweiten Temperatur (Tpol) oder nach erfolgter Abkühlung auf die ursprüngliche Ausgangstemperatur (T0) durch Anlegen eines elektrischen Feldes an die thermoplastintegrierten Elektrodierungen (19, 20) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für den jeweiligen thermoplastischen Verbund (28, 29; 38, 39) beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements (5) eine nach dem Heißpressen in eine als Matrix dienende Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie (26, 27; 36, 37) mit einer unidirektional oder bidirektional orientierten Faserverstärkung (43, 44) vor dem Heißpressen in die Schichtfolge eingesetzt wird.Method for producing converter material modules ( 25 . 35 ) according to patent application 10 2006 047 411.2, wherein at the beginning a layer sequence of all elements involved with a transducer element located in the central region ( 5 ) and with both sides adjacent electrodeations ( 19 . 20 ) and thermoplastic carrier films ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) is brought about, with the following steps, - applying one to each other on the transducer material element ( 5 ) contacting planar electrodeposition ( 19 . 20 ) and adjoining thermoplastic planar carrier film ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) or in each case a contacting electrodated thermoplastic carrier film on the transducer material element ( 5 ) within a hermetically sealed, optionally heatable vacuum device to a layer function module, - heating of the layer function module to a predetermined maximum temperature (T cons ) and pressing to a predetermined maximum pressing pressure with simultaneous generation of negative pressure in the vacuum device, - maintaining the three Parameter values - temperature, pressure, negative pressure - at the respective set maximum levels for a given period of time until the setpoint parameters of a compact function module ( 25 . 35 ), whereby the electrodepositions ( 19 . 20 ) and the respective molten thermoplastic carrier film ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) containing composite ( 28 . 29 ; 38 . 39 ) to the transducer material element ( 5 ), wherein after expiration of the predetermined period of time - a reduction of the temperature to a second predetermined temperature (T pol ) or to the original starting temperature (T 0 ), - a reduction of the negative pressure, - a reduction of the pressing pressure, the three Reduction steps in the specified order are performed time-spaced, and - solving the compact function module ( 25 . 35 ) as a transducer material module, wherein a polarization upon reaching the second temperature (T pol ) or after cooling to the original starting temperature (T 0 ) by applying an electric field to the thermoplastintegrierten electrodings ( 19 . 20 ) is produced, characterized in that for the respective thermoplastic composite ( 28 . 29 ; 38 . 39 ) on both sides of the transducer material element ( 5 ) a after the hot pressing in a serving as a matrix thermoplastic film modified carrier film ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) with a unidirectionally or bidirectionally oriented fiber reinforcement ( 43 . 44 ) is inserted into the layer sequence before the hot pressing. Wandlerwerkstoff-Modul (25, 35) nach Patentanmeldung 10 2006 047 411.2, hergestellt mittels des Verfahrens nach Anspruch 1, aufweisend nach seiner Herstellung mittels Heißpressens einen beidseitig am Wandlerwerkstoff-Element (5) angeformten thermoplastischen Verbund (28, 29), bestehend aus der zugehörigen Elektrodierung (19, 20) und aus der verpressten und temperaturabhängig strukturveränderten thermoplastischen, die Elektrodierung (19, 20) enthaltende Trägerfolie (26, 27; 36, 37), wobei im Verbund (28, 29; 38, 39) die thermoplastische Trägerfolie (26, 27; 36, 37) durch die integrierte Elektrodierung (19, 20) hindurch durchgreifende Fließstege (21, 22) enthält, die mit den planaren Oberflächen (23, 24) des Wandlerwerkstoff-Elements (5) adhäsive Verbindungen eingehen sowie eine direkte Halterung des thermoplastischen Verbundes (28, 29, 38, 39) am Wandlerwerkstoff-Element (5) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass die für den thermoplastischen Verbund (28, 29; 38, 39) beiderseits des Wandlerwerkstoff-Elements (5) vorgesehene und nach dem Heiß-Pressen in eine als Matrix unveränderte Thermoplastfolie veränderte Trägerfolie (26, 27; 36, 37) mit einer Faserverstärkung (43, 44) versehen ist, die unidirektional oder bidirektional verstärkt ist und somit mit anisotropen richtungsabhängigen Werkstoffkennwerten ausgebildet ist.Transformer material module ( 25 . 35 ) according to patent application 10 2006 047 411.2, produced by means of the method according to claim 1, comprising after its production by means of hot pressing a double-sided on the transducer material element ( 5 ) molded thermoplastic composite ( 28 . 29 ), consisting of the associated electrodeposition ( 19 . 20 ) and from the compressed and temperature-dependent structure-modified thermoplastic, the electrodeposition ( 19 . 20 ) containing carrier film ( 26 . 27 ; 36 . 37 ), whereby in the composite ( 28 . 29 ; 38 . 39 ) the thermoplastic carrier film ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) by the integrated electrodeposition ( 19 . 20 ) through sweeping flow webs ( 21 . 22 ) containing the planar surfaces ( 23 . 24 ) of the transducer material element ( 5 ) enter adhesive bonds and a direct support of the thermoplastic composite ( 28 . 29 . 38 . 39 ) on the transducer material element ( 5 ), characterized in that for the thermoplastic composite ( 28 . 29 ; 38 . 39 ) on both sides of the transducer material element ( 5 ) and after hot-pressing into a thermoplastic film which is unchanged as a matrix ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) with a fiber reinforcement ( 43 . 44 ), which is unidirectionally or bidirectionally amplified and thus formed with anisotropic direction-dependent material characteristics. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt ist/sind.Converter material module according to claim 2, since characterized in that anisotropy-conditioned / -n preferred direction / -en over an angle φ 1 between a fiber bias direction and a predetermined global xyz coordinate system is / are set. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en bei einer unidirektionalen Faserverstärkung (43) in den Trägerfolien (26, 27) über einen Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt ist/sind.Converter material module according to claim 2, characterized in that anisotropy-conditioned / -n preferred direction / -en in a unidirectional fiber reinforcement ( 43 ) in the carrier films ( 26 . 27 ) is set over an angle φ 1 between a fiber biasing direction and a predetermined global xyz coordinate system. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unidirektional orientierten Faserverstärkungen (43) jeweils aus einem Feld parallel zueinander gerichteter Fasern (30) bestehen.Converter material module according to claim 4, characterized in that the unidirectionally oriented fiber reinforcements ( 43 ) each of a field parallel oriented fibers ( 30 ) consist. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (30) in den Trägerfolien (26, 27) außermittig und parallel zur Folienschichtmittenebene eingebettet sind, wobei sich die Richtung der Fasern (30) nach der vorgegebenen Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elements (5) richtet.Transducer material module according to claim 5, characterized in that the fibers ( 30 ) in the carrier films ( 26 . 27 ) are embedded eccentrically and parallel to the film layer center plane, wherein the direction of the fibers ( 30 ) according to the predetermined bias of the transducer material element ( 5 ). Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass anisotropiebedingte/-n Vorzugsrichtung/-en bei einer bidirektionalen Faserverstärkung (44) in den Trägerfolien (36, 37) über den Winkel ϕ1 zwischen einer Faservorzugsrichtung und einem vorgegebenen globalen xyz-Koordinatensystem eingestellt ist/sind.Converter material module according to claim 2, characterized in that anisotropy-conditioned / -n preferred direction (s) in a bidirectional fiber reinforcement ( 44 ) in the carrier films ( 36 . 37 ) is set via the angle φ 1 between a fiber biasing direction and a predetermined global xyz coordinate system. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bidirektional orientierten Faserverstärkungen (44) jeweils aus einem Netz von sich kreuzenden Feldern aus jeweils parallel zueinander gerichteten Fasern (40, 41) bestehen.Converter material module according to claim 7, characterized in that the bidirectionally oriented fiber reinforcements ( 44 ) each consist of a network of intersecting fields of mutually parallel fibers ( 40 . 41 ) consist. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (40, 41) in den vor dem Heißpressen noch unveränderten Trägerfolien (36, 37) außermittig und parallel zur Folienschichtmittenebene eingebettet sind.Transformer material module according to claim 8, characterized in that the fibers ( 40 . 41 ) in the before the hot pressing still unchanged backing sheets ( 36 . 37 ) are embedded off-center and parallel to the film layer center plane. Wandlerwerkstoff-Modul nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei elektrodierten thermoplastischen Trägerfolien, die zur Heißpressung auf das Wandlerwerkstoff-Element (5) vorgesehen sind, vorzugsweise ein vorgegebener Abstand zwischen der Elektrodierung und dem Faserfeld oder dem Fasernetz vorhanden sind.Transducer material module according to at least one preceding claim, characterized in that in the case of electrodipped thermoplastic carrier films which are used for hot pressing onto the transducer material element ( 5 ) are provided, preferably a predetermined distance between the electrodeization and the fiber field or the fiber network are present. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass resultierende richtungsabhängige Dehnungen nach dem fertigungsbedingten Heißpressen des als Thermoplastmatrix ausgebildeten Verbunds (28, 29; 38, 39) bei der Abkühlung auf Raumtemperatur zur gezielten richtungsabhängigen Vorspannung in Form einer eigenspannungsinduzierte Vorspannung des Wandlerwerkstoff-Elementes (5) führen.Conversion material module according to claim 2 to 10, characterized in that resulting direction-dependent strains after the production-related hot pressing of the thermoplastic matrix formed as a composite ( 28 . 29 ; 38 . 39 ) during cooling to room temperature for targeted direction-dependent bias in the form of an intrinsic stress-induced bias of the transducer material element ( 5 ) to lead. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen die Polarisation des Wandlerwerkstoff-Elements (5) unterstützen.Converter material module according to claim 11, characterized in that the residual stresses the polarization of the transducer material element ( 5 ) support. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Wandlerwerkstoff-Element (5) eine schichtartig ausgebildete Piezokeramik oder gesponnene PZT-Fasern (42) eingesetzt sind, die in paralleler seitenkontaktierender Verbindung zu jeweils einer schichtartigen Anordnung zusammengefügt sind.Converter material module according to claim 2 to 12, characterized in that as a transducer material element ( 5 ) a layered piezoceramic or spun PZT fibers ( 42 ) are used, which are joined in parallel side-contacting compound to a respective layer-like arrangement. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen zur Induzierung von gerichteten Druck-Eigenspannungen, um die empfindliche Piezokeramik des Wandlerwerkstoff-Elements (5) gegen betriebsbedingte kritische Zugspannungen zu schützen, nutzbar sind.Converter material module according to claim 11 to 13, characterized in that the internal stresses for inducing directed compressive residual stresses to the sensitive piezoceramic of the transducer material element ( 5 ) to protect against operational critical tensile stresses, are usable. Wandlerwerkstoff-Modul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die PZT-Fasern (42) des Wandlerwerkstoff-Elements (5) über die anisotropen Trägerfolien (26, 27; 36, 37) in Richtung der Fasern (30; 40, 41) vorspannbar sind.Converter material module according to claim 13, characterized in that the PZT fibers ( 42 ) of the transducer material element ( 5 ) over the anisotropic carrier foils ( 26 . 27 ; 36 . 37 ) in the direction of the fibers ( 30 ; 40 . 41 ) are prestressed. Wandlerwerkstoff-Modul nach mindestens einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenspannungen sowohl prozessseitig über Prozesstemperatur, -druck, -zeit als auch werkstoffseitig durch eine vorgegebene Auslegung der anisotropen Trägerfolie, wobei sich die Auslegung auf eine Variation der Verstärkungsart und -richtung bezieht, hinsichtlich der richtungsabhängigen Wärmeausdehnungskoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß αx = α1cos2ϕ1 + α2sin2ϕ1, αy = α1sin2ϕ1 + α2cos2ϕ1, αxy = 2(α1 – α2)cosϕ1sinϕ1 (I)mit den thermomechanischen Grundkennwerten α1 und α2 sowie hinsichtlich der Quellkoeffizienten in x- und y-Richtung gemäß βx = β1cos2ϕ1 + β2sin2ϕ1, βy = β1sin2ϕ1 + β2cos2ϕ1, βxy = 2(β1 – β2)cosϕ1sinϕ1 (II)mit den hygroskopischen Grundkennwerten β1 und β2 über Gleichung σ = Cε – αΔT – βΔM (III)mit der Steifigkeitsmatrix C, der Temperaturdifferenz ΔT und der relativen Medienkonzentration ΔM einstellbar sind.Conversion material module according to at least one preceding claim, characterized in that the residual stresses both process side on process temperature, pressure, time and material side by a predetermined design of the anisotropic carrier film, wherein the interpretation refers to a variation of the amplification type and direction, in terms of the directional coefficients of thermal expansion in the x and y directions according to α x = α 1 cos 2 φ 1 + α 2 sin 2 φ 1 , α y = α 1 sin 2 φ 1 + α 2 cos 2 φ 1 , α xy = 2 (α 1 - α 2 ) cos 1 sinφ 1 (I) with the basic thermomechanical parameters α 1 and α 2 as well as with regard to the swelling coefficients in the x and y directions according to FIG β x = β 1 cos 2 φ 1 + β 2 sin 2 φ 1 , β y = β 1 sin 2 φ 1 + β 2 cos 2 φ 1 , β xy = 2 (β 1 - β 2 ) cos 1 sinφ 1 (II) with the basic hygroscopic parameters β 1 and β 2 via equation σ = Cε - α ΔT - β ΔM (III) with the stiffness matrix C , the temperature difference .DELTA.T and the relative media concentration .DELTA.M are adjustable.
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